บทความชุด “ดินธาตุอาหารและปุ๋ย” เพื่อ “เพิ่มผลผลิต”

เรื่องที่ 9 รูปของธาตุอาหารพืชในดิน (1) รูปที่เป็นประโยชน์

รองศาสตราจารย์ ดร. ยงยุทธ โอสถสภา

อาจารย์พิเศษ ภาควิชาปฐพีวิทยา คณะเกษตร กำแพงแสน มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

1 คำนำ

   เพื่อความเข้าใจเรื่อง “รูปที่เป็นประโยชน์ของธาตุอาหารพืช” จะเกริ่นนำใน 2 ประเด็น คือ

สาระสำคัญในเรื่องธาตุอาหารในดิน และความหมายของ “ความอุดมสมบูรณ์ของดิน”

   1.1 สาระสำคัญในเรื่องธาตุอาหารในดิน

      สาระสำคัญในเรื่องธาตุอาหารในดินมี 2 ข้อ คือ แหล่งที่มาของธาตุอาหาร และรูปของธาตุอาหาร ดังนี้

         1) ธาตุอาหารในดินมาจาก 2 แหล่ง คือ (1) แร่ในดิน และ (2) อินทรียวัตถุในดิน (อธิบายแล้วในเรื่องที่ 8)

         2) ธาตุอาหารในดินมี 2 รูป (forms) คือ (1) รูปที่เป็นประโยชน์ต่อพืช (available form)  ซึ่งจะอธิบายในเรื่องนี้ และ (2) รูปที่ไม่เป็นประโยชน์ต่อพืช  (unavailable form) มีคำอธิบายในเรื่องที่ 10

    1.2 ความอุดมสมบูรณ์ของดิน (soil fertility)

         ความอุดมสมบูรณ์ของดิน คือ ความสามารถของดินในการให้ธาตุอาหาร “รูปที่เป็นประโยชน์ต่อพืช” ดินที่มี “ความอุดมสมบูรณ์สูง” คือ ดินที่สามารถให้ (1) ธาตุอาหารพืชได้ทุกธาตุ (2) ให้ธาตุเหล่านั้น “รูปที่เป็นประโยชน์” ในปริมาณที่เพียงพอ และ (3) พืชได้รับธาตุเหล่านั้นในสัดส่วนที่สมดุลกัน ตามความต้องการของพืช

2. “เป็นประโยชน์” คืออะไร 

    “เป็นประโยชน์” มาจากคำ available เป็นคุณศัพท์ แปลว่า -ที่จะหยิบมาใช้ได้, -ที่หาได้, -ที่หาง่าย ดังนั้น soil available nutrients จึงมีความหมายทั่วไปว่า “ธาตุอาหารในดินส่วนที่เป็นประโยชน์ต่อพืช หรือส่วนของธาตุอาหารในดินที่รากพืชดูดไปใช้ง่าย” ส่วนความหมายทางด้านการวิเคราะห์ดิน หมายถึง “ปริมาณธาตุอาหารในดินส่วนที่สกัดออกมาได้ด้วยวิธีมาตรฐาน” ซึ่งเป็นวิธีที่ใช้ในการ “ประเมินความอุดมสมบูรณ์ของดิน” เพื่อเป็นแนวทางในการแนะนำการใช้ปุ๋ย

     ธาตุอาหารในดินรูปที่เป็นประโยชน์ต่อพืชมี 2 แบบ คือ (1) ไอออนในสารละลายดิน และ (2) ไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ ซึ่งจะได้อธิบายรายละเอียดในแต่ละข้อ ดังนี้

3. ไอออนในสารละลายดิน

       ความหมายของไอออน (ion) และ สารละลายดิน (soil solution) มีดังนี้

       1) ไอออน (ion) คือ อะตอมหรือกลุ่มอะตอมที่มีประจุ ยกตัวอย่าง เช่น

              (1) อะตอมมีประจุ ได้แก่ โพแทสเซียมอะตอมมีประจุบวก (K⁺) เรียกโพแทสเซียมไอออน

             (2) กลุ่มอะตอมมีประจุ ได้แก่ กลุ่มของอะตอมสองธาตุประกอบด้วย “ไนโตรเจนหนึ่งอะตอมกับออกซิเจนสามอะตอม” มีประจุลบ (NO₃^-) ซึ่งเรียกว่าไนเทรตไอออน

             จากตัวอย่างนี้เห็นได้ว่าไอออนมีประจุ 2 แบบ คือไอออนประจุบวก (แคตไอออน) และไอออนประจุลบ (แอนไอออน) สำหรับไอออนของธาตุอาหารทุกธาตุแสดงไว้ในตารางที่ 1  

           (1) แคตไอออน (cation) คือ ไอออนที่มีประจุบวก เช่น โพแทสเซียมไอออน (K⁺) ที่มาของชื่อ คือ เมื่อสลายเกลือด้วยไฟฟ้า แคตไอออนจะวิ่งไปหาขั้วคาโทด (cathode)

           (2) แอนไอออน (anion) คือ ไอออนที่มีประจุลบ เช่น ซัลเฟตไอออน (SO₄^2-) ที่มาของชื่อ คือ เมื่อสลายเกลือด้วยไฟฟ้า แอนไอออนจะวิ่งไปหาขั้วอะโนด (anode)

       2) สารละลายดิน (soil solution) คือ ส่วนของดินที่เป็นของเหลวประกอบด้วยน้ำและตัวละลาย (ได้แก่ไอออนต่างๆ และสารที่ละลายน้ำได้) ซึ่งอยู่ในช่องขนาดเล็กของดิน (ภาพที่ 1)

ภาพที่ 1 (ซ้าย) ช่องในดินมี 3 ขนาด คือ ขนาดใหญ่ (macropores เส้นผ่าศูนย์กลางมากกว่า 100 ไมโครเมตร) และช่องขนาดกลาง (mesopores ขนาด 50-100 ไมโครเมตร) อยู่ระหว่างก้อนดินเป็นช่องสำหรับการระบายน้ำและการถ่ายเทอากาศ ส่วนช่องในดินขนาดเล็ก (micropores เส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า 50 ไมโครเมตร) อยู่ภายระหว่างอนุภาคดิน (soil particles) ในโครงสร้างดินเป็นที่เก็บน้ำ หรือที่เรียกว่า “สารละลายดิน” (ภาพขวา)

             สารละลายดินมีน้อยหรือมากขึ้นอยู่กับสภาพความชื้นของดิน (ภาพที่ 1) กล่าวคือ

             (1) สารละลายดินมีปริมาณน้อย เมื่อดินมีความชื้นต่ำอยู่ในระดับที่พืชเหี่ยวเฉาถาวร (permanent wilting percentage, PWP)

             (2) สารละลายดินมีมากขึ้น เมื่อดินมีความชื้นอยู่ในระดับความจุความชื้นสนาม (field capacity, FC) ซึ่งเป็นสภาพที่รากพืชใช้ประโยชน์จากน้ำในดินได้มากที่สุด

           (3) สารละลายดินมีมากที่สุด เมื่อดินอิ่มตัวด้วยน้ำ (saturation water content, SWC) แต่น้ำส่วนเกินจากค่า FC จะไหลลงสู่ดินล่างด้วยแรงโน้มถ่วง จนเหลือเพียงระดับ FC ไอออนที่ละลายในน้ำส่วนเกินก็จะไหลลงไปยังดินล่างด้วย

             ดังนั้นไอออนในสารละลายดิน จึงเป็นไอออนอิสระและกระจายในน้ำซึ่งอยู่ในช่องขนาดเล็กของดิน (ดูภาพที่ 1-3 ประกอบ) หากดินมีความชื้นอยู่ในระดับความจุความชื้นสนาม (FC) รากพืชจะใช้ประโยชน์จากน้ำในดินและไอออนที่ละลายอยู่ในน้ำ (สารละลายดิน) ได้มาก

          ภาพที่ 2 ปริมาณน้ำในส่วนที่เรียกว่าสารละลายของดิน มีต่ำเมื่อความชื้นดินอยู่จุดเหี่ยวถาวร (PWP) สูงขึ้นเมื่อความชื้นดินอยู่จุดความชื้นสนาม (FC) และสูงสุดเมื่อดินอิ่มตัวด้วยน้ำ (saturated water concentration, SWC)

ตารางที่ 1 ชื่อธาตุอาหารพืช และรูปของธาตุอาหารพืชที่พืชดูดไปใช้ประโยชน์

4. ไอออนที่แลกเปลี่ยนได้

    คำอธิบายในเรื่องนี้มี 3 ส่วน คือ (1) ความหมายของไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ (2) ความสำคัญของไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ และ (3) ปริมาณของไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ในดิน

     4.1 ความหมายของ “ไอออนที่แลกเปลี่ยนได้”

           ปฏิกิริยาเคมีในดินที่สำคัญอย่างหนึ่ง คือ ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนไอออน (ion exchange reaction) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนระหว่างไอออนที่ดูดซับบริเวณผิวของอนุภาคแร่ดินเหนียวและผิวของฮิวมัส กับไอออนในสารละลายดิน จนเกิดสภาวะสมดุล:ซึ่งมี 2 แบบ คือ

           ปฏิกิริยาแบบที่ 1 ปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนระหว่างแคตไอออน หรือ การแลกเปลี่ยนแคตไอออน (cation exchange) ซึ่งมีมาก เพราะอนุภาคแร่ดินเหนียวและผิวของฮิวมัสมีประจุลบอันเป็นที่เกาะหรือดูดซับของแคตไอออนมาก

            ปฏิกิริยาแบบที่ 2 ปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนระหว่างแอนไอออน หรือ การแลกเปลี่ยนแอนไอออน (anion exchange) ซึ่งมีน้อย เพราะอนุภาคแร่ดินเหนียวและผิวของฮิวมัสมีประจุบวกอันเป็นที่เกาะหรือดูดซับของแอนไอออนน้อย

           1) การแลกเปลี่ยนแคตไอออน (cation exchange)

                มีข้อสังเกตว่า ในตำราจะมีการกล่าวถึงการแลกเปลี่ยนแคตไอออนเป็นส่วนใหญ่ เพราะเกิดขึ้นมาก

                ในปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนระหว่างแคตไอออน (ภาพที่ 3) มีไอออนอยู่ 2 พวก คือ (1) แคตไอออนที่ผิวของอนุภาคแร่ดินเหนียวและผิวของฮิวมัส เรียกว่า “ แคตไอออนที่แลกเปลี่ยนได้” (ในภาพที่ 2 ซ้าย คือ Ca⁺², Mg⁺² Na⁺) และ (2) ไอออนในสารละลายดิน ซึ่งจะเข้ามาแทนที่ (ในภาพที่ 2 ซ้าย คือ Al⁺³, K⁺, H⁺)

                 เมื่อปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนระหว่างแคตไอออนสิ้นสุดลง (ในภาพที่ 2 ขวา)  Al⁺³, K⁺, H⁺ เข้าแทนที่ และไล่ให้ Ca⁺², Mg⁺² Na⁺ ออกไปอยู่ในสารละลายดิน

ภาพที่ 3 ปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนแคตไอออนระหว่าง Ca⁺², Mg⁺² Na⁺ กับ Al⁺³, K⁺, H⁺

2) การแลกเปลี่ยนแอนไอออน (anion exchange)

                  เนื่องจากที่ผิวของอนุภาคแร่ดินเหนียวและผิวของฮิวมัสบางบริเวณมีประจุบวก จึงมีแอนไอออนมาดูดซับ หรือมีแอนไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ (exchangeable anion) ดังภาพที่ 4 ในขณะเดียวกันก็มีแอนไอออนอยู่ในสารละลายดิน จึงมีปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนแอนไอออน (anion exchange) เช่นเดียวกัน

ภาพที่ 4 แสดงผิวของอนุภาคดินเหนียวซึ่งมีทั้งประจุลบ (มีแคตไอออนที่แลกเปลี่ยนได้) ปริมาณมากกว่า และประจุบวก (มีแอนไอออนที่แลกเปลี่ยนได้) ปริมาณน้อยกว่า

    4.2 ความสำคัญของ “ไอออนที่แลกเปลี่ยนได้”

          1) แคตไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ มีความสำคัญ เพราะ (1)  เป็นแคตไอออนของธาตุอาหารซึ่งถูกดูดซับกับประจุลบอยู่ที่ผิวของอนุภาคดินเหนียวและฮิวมัส  ส่วนนี้รากพืชสามารถดูดไปใช้ได้โดยตรง แต่ที่สำคัญมาก คือ เป็นส่วนของแคตไอออนที่ไม่สูญเสียไปกับน้ำที่ชะผ่านดิน และ (2) เมื่อมีแคตไอออนอื่นเข้าไปไล่ที่ ให้ออกมาอยู่ในสารละลายของดิน ซึ่งรากพืชก็ดูดไปได้ง่ายเช่นกัน (ภาพที่ 5)

ภาพที่ 5 ธาตุอาหารที่เป็นประโยชน์ต่อพืชมี 2 รูป คือ (1) ไอออนในสารละลายดิน และ (2) ไอออนที่ถูกดูดซับอยู่ที่ผิวของอนุภาคดินเหนียวและฮิวมัส ซึ่งรากพืชโดยเฉพาะอย่างยิ่งขนราก สามารถดูดไปใช้ประโยชน์ได้

           2)  แอนไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ ก็มีความสำคัญในฐานะเป็นแหล่งธาตุอาหารของพืชเช่นเดียวกัน ในดินทุกชนิดปริมาณแอนไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ มีน้อยกว่าแคตไอออนที่แลกเปลี่ยนได้

    4.3 ปริมาณของ “ไอออนที่แลกเปลี่ยนได้”

            ปริมาณของ “ไอออนที่แลกเปลี่ยนได้” ในดินชนิดหนึ่ง ขึ้นอยู่กับปริมาณประจุลบและประจุบวกที่ผิวของอนุภาคดินเหนียวและฮิวมัส กล่าว คือ

            1) ปริมาณของ “แคตไอออนที่แลกเปลี่ยนได้” ในดินขึ้นอยู่กับปริมาณประจุลบของดิน ปริมาณ“แคตไอออนที่แลกเปลี่ยนได้”ในดิน 1 กิโลกรัม เรียกว่า “ความจุแลกเปลี่ยนแคตไอออน (cation exchange capacity, CEC) ใช้หน่วย centimole of charge ต่อดิน 1 กิโลกรัม (cmol_c/kg) ค่านี้แตกต่างกันระหว่างเนื้อดินดังนี้ ดินทราย (อินทรียวัตถุต่ำ) 3-5, ดินทราย (อินทรียวัตถุสูง) 10-20, ดินร่วน 10-15, ดินร่วนปนทรายแป้ง 15-25, ดินร่วนปนดินเหนียวและดินเหนียว 20-50 ดินอินทรีย์ 50-100 cmol_c/kg

                 เห็นได้ว่าค่า CEC ของดินขึ้นอยู่กับปัจจัย 3 ประการ คือ

                 (1) ปริมาณอินทรียวัตถุ เนื่องจากฮิวมัสมีค่า CEC สูงถึง 200 cmol_c/kg

                 (2) เนื้อดิน: โดยเนื้อดินละเอียดมีค่าสูงกว่าดินเนื้อหยาบ และ

                 (3) ชนิดของแร่ดินเหนียว เนื่องจากมีค่า CEC แตกต่างระหว่างแร่ดินเหนียวแต่ละชนิด ดังนี้ แร่ดินเหนียวมอนต์มอริลโลไนต์ อิลไลต์ เคโอลิไนต์ มีค่า 100, 30 และ 8 cmol_c/kg ตามลำดับ

             2) ปริมาณของ “แอนไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ (anion exchange capacity, AEC) ใช้หน่วย centimole of charge ต่อดิน 1 กิโลกรัม (cmol_c/kg) ขึ้นอยู่กับปริมาณประจุบวกของดิน สำหรับดินที่มีประจุบวกที่ผิวดินมากได้แก่ดินที่มีการสลายผุพังมายาวนาน เป็นกรดจัดและมีวัตถุต้นกำเนิดมาจากหินภูเขาไฟ อาจมีค่า CEC กับค่า AEC ใกล้เคียงกันก็ได้ เช่นดินบนของดินออกซิโซลจากแหล่งหนึ่งมีค่า CEC 3.9 cmol_c/kg และค่า AEC 3.2 cmol_c/kg 

5. สรุป

    ธาตุอาหารในดินมี 2 รูป คือ รูปที่เป็นประโยชน์ (อธิบายในบทนี้) และรูปที่ไม่เป็นประโยชน์ต่อพืช  (อธิบายในบทที่ 10)

    ธาตุอาหารในดินรูปที่เป็นประโยชน์ต่อพืชประกอบด้วย 2 ส่วน คือ (1) ไอออนในสารละลายดิน ซึ่งมีปริมาณน้อยและ (2) ไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ ซึ่งมีปริมาณมากกว่าหลายเท่า ทั้งสองส่วนนี้อยู่ในสภาพสมดุลกัน  ปริมาณของไอออนที่แลกเปลี่ยนได้ในดินชนิดหนึ่ง ขึ้นอยู่กับความจุในการแลกเปลี่ยนไอออนของดินนั้น

..................................................

หมายเหตุ: อีก 2 สัปดาห์ ติดตามเรื่องที่ 9 ธาตุอาหารในดินรูปที่ไม่เป็นประโยชน์